分流法濕度發(fā)生器的研制

安永利

【摘要】為了更好地做好濕度傳感器校準(zhǔn)工作，遼寧省計(jì)量科學(xué)研究院與相關(guān)科研部門(mén)基于分流法的原理，合作研制了一種分流法濕度發(fā)生器。本裝置具有溫度范圍寬、準(zhǔn)確度較高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，非常適合對(duì)濕度相關(guān)產(chǎn)品檢定量繁重的科研院所和計(jì)量單位，同時(shí)也為國(guó)內(nèi)濕度校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室選擇濕度發(fā)生器提供參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】濕度發(fā)生器;分流法;相對(duì)濕度

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2022.03.026

Development of Mixed-flow Humidity Generator

AN Yong-li

（Liaoning Institute of Measurement，Shengyang 110004，China）

Abstract：In order to test the Humidity Sensor better，Liaoning Institute of Measurement has made one kind of mixed-flow humidity generator with one scientific research institution. This device has wide temperature range and high accuracy，it is easy to operate. It is suitable for research institutions and measurement institutions which have a lot of humidity related products to test. At the same time，it also provides a reference basis for domestic humidity calibration laboratories to select humidity generator.

Key words：humidity generator;mixed-flow;relative humidity

1引言

由于濕度與醫(yī)藥、電子、化工、電力等相關(guān)行業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量及安全有重要關(guān)系，因此在許多場(chǎng)合需要使用濕度計(jì)、濕度傳感器以及露點(diǎn)儀來(lái)進(jìn)行過(guò)程參數(shù)的監(jiān)控及環(huán)境監(jiān)控。這些儀器的準(zhǔn)確度需要通過(guò)定期或不定期的檢定或校準(zhǔn)來(lái)提供保證。在檢定時(shí)一般需要使用濕度發(fā)生器來(lái)提供具有穩(wěn)定的溫度及濕度的氣流，并配以精密露點(diǎn)儀作為標(biāo)準(zhǔn)器來(lái)進(jìn)行該類(lèi)儀器的檢定及校準(zhǔn)工作。

目前，濕度發(fā)生器的生產(chǎn)公司及產(chǎn)品型號(hào)眾多，采用分流法原理生產(chǎn)的相對(duì)濕度發(fā)生器有：美國(guó)GE公司的Humilab，英國(guó)MICHELL公司的HG-1，HG-10，瑞士ROTRONIC的HygroGen;采用雙壓法原理生產(chǎn)的相對(duì)濕度發(fā)生器有：美國(guó)Thunder的2500，奧地利E+E公司的HUMOR10-20等。但這些濕度發(fā)生器的價(jià)格較高，并且其發(fā)生氣體的溫度或濕度不能滿足濕度傳感器校準(zhǔn)規(guī)范中對(duì)濕度傳感器所發(fā)生氣體的溫度或濕度的要求。采用國(guó)外生產(chǎn)的濕度發(fā)生器時(shí)經(jīng)常容易產(chǎn)生各種問(wèn)題，如在國(guó)外產(chǎn)品報(bào)價(jià)中有的不含恒溫水浴;有的不含露點(diǎn)儀;采用電容法濕度傳感器作為測(cè)量及控制系統(tǒng)時(shí)需定期進(jìn)行校準(zhǔn)，不能作為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具進(jìn)行量值傳遞，而且校準(zhǔn)傳感器時(shí)要將被檢傳感器置于氣室中來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)，因此需要較大的流量以避免外界空氣溫濕度的干擾。

為了解決上述問(wèn)題，遼寧省計(jì)量科學(xué)研究院與相關(guān)科研部門(mén)合作研制了一種濕度發(fā)生器，專(zhuān)為濕度校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室檢定及校準(zhǔn)濕度傳感器而設(shè)計(jì)。該裝置含有恒溫水浴，并且使用方法簡(jiǎn)單，符合國(guó)家濕度傳感器校準(zhǔn)規(guī)范對(duì)濕度發(fā)生器的要求。若配置擴(kuò)展不確定度為0.1℃或0.2℃的露點(diǎn)儀，以及擴(kuò)展不確定度為0.1℃的溫度計(jì)，可達(dá)到一級(jí)或二級(jí)濕度標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具的要求。

該裝置在檢定傳感器時(shí)，氣室與傳感器可以做到較好的密封，因此受外界空氣溫濕度的影響較小，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度較高，使用方便，并可同時(shí)檢定或校準(zhǔn)8只濕度傳感器。遼寧省計(jì)量科學(xué)研究院研制的這款裝置工作效率高，所需費(fèi)用比國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的低，具有較高的性價(jià)比。

各個(gè)公司濕度發(fā)生器的性能指標(biāo)比對(duì)情況詳見(jiàn)表1。

2分流法濕度發(fā)生器工作原理

分流法濕度發(fā)生器工作原理為：將一股干氣按比例準(zhǔn)確地分為兩股，其中一股干氣經(jīng)過(guò)換熱后進(jìn)入飽和器成為飽和濕氣，另一股則經(jīng)過(guò)換熱后仍為干氣，與上一股已經(jīng)達(dá)到飽和的濕氣經(jīng)過(guò)一定比例混合均勻后進(jìn)入測(cè)試室，通過(guò)調(diào)節(jié)兩股氣流的流量比例，即可獲得不同相對(duì)濕度的樣氣。

校準(zhǔn)濕度傳感器時(shí)，由濕度發(fā)生器產(chǎn)生穩(wěn)定的具有一定濕度的氣源，利用精密露點(diǎn)儀及溫度計(jì)測(cè)得露點(diǎn)值及溫度值。根據(jù)相對(duì)濕度的定義，通過(guò)公式計(jì)算得到準(zhǔn)確的相對(duì)濕度值，將該值作為標(biāo)準(zhǔn)值來(lái)校準(zhǔn)濕度傳感器。該標(biāo)準(zhǔn)值可溯源至精密露點(diǎn)儀及標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)。

濕度傳感器校準(zhǔn)方法原理如圖1所示。

分流法濕度發(fā)生器能夠提供連續(xù)、快速、均勻變化的濕度環(huán)境場(chǎng)，在對(duì)傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性測(cè)試的場(chǎng)合中使用時(shí)有比較明顯的優(yōu)勢(shì)。分流法濕度發(fā)生器應(yīng)用比較普遍，這是因?yàn)榉至鞣穸劝l(fā)生裝置所提供濕度量值的準(zhǔn)確度相對(duì)較高，制造成本較低且能夠快速提供不同濕度范圍的樣氣。

分流式濕度發(fā)生器流程簡(jiǎn)圖如圖2所示。

3主要內(nèi)容

3.1技術(shù)指標(biāo)

溫度范圍：5～60℃;溫度穩(wěn)定性：±0.05℃;濕度發(fā)生范圍：5%RH～95%RH;濕度偏差：±1.0%RH;露點(diǎn)范圍：-30～60℃;露點(diǎn)穩(wěn)定性：±0.1℃。

3.2技術(shù)方案

3.2.1氣源

采用普氮、高純氮?dú)怃撈炕蚋稍锖蟮膲嚎s空氣作氣源。發(fā)生器所能發(fā)生濕度的最低限值取決于壓縮氣體的濕度，若不能達(dá)到要求可選擇干燥管，以達(dá)到要求。

3.2.2管路及閥門(mén)

所有管路及閥門(mén)均為進(jìn)口產(chǎn)品，采用計(jì)量閥來(lái)調(diào)整兩股氣流的流量，可以做到流量穩(wěn)定，最終通過(guò)露點(diǎn)儀及標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)來(lái)進(jìn)行測(cè)量，然后通過(guò)計(jì)算定值。

3.2.3飽和器

這里采用的是“迷宮”式飽和器。氣體從管的一端分三路進(jìn)入互相隔離的螺旋形通道。通道位于水面的上方。飽和器的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于氣流的導(dǎo)流板，使氣體不斷折回水面，從而有足夠的機(jī)會(huì)同水接觸。被飽和的氣體從管的另一端排出“迷宮”式飽和器原理如圖3所示。

該濕度發(fā)生器飽和效率較高，濕度發(fā)生范圍從5%RH～95%RH。當(dāng)然，在滿足要求的條件下，也可以采用其他形式的飽和器。

3.2.4恒溫裝置

分流法濕度發(fā)生器的原理是一股飽和氣與一股干氣混合產(chǎn)生具有一定的溫度及濕度的氣流，所發(fā)生的氣流的溫度及濕度穩(wěn)定性受飽和器的溫度影響較大。因此恒溫水浴的波動(dòng)度一定要小。本裝置所選水浴的制冷系統(tǒng)及控溫系統(tǒng)等關(guān)鍵部件均采用進(jìn)口產(chǎn)品，水浴內(nèi)徑500 mm，控溫范圍5～60℃，水平溫差0.01℃，垂直溫差0.02℃，溫度波動(dòng)度±0.015℃，完全滿足相關(guān)校準(zhǔn)規(guī)范的要求。

3.2.5測(cè)試裝置

測(cè)試裝置專(zhuān)為濕度傳感器的校準(zhǔn)而設(shè)計(jì)，分混合室和測(cè)試室兩部分?；旌鲜沂铅?0×200的圓柱體，有兩個(gè)進(jìn)氣孔，一個(gè)排氣孔，氣孔接頭選擇1/4英寸接頭，混合室腔體要求內(nèi)拋光。測(cè)試室有多個(gè)密封接口，同時(shí)備有多個(gè)尺寸的密封墊，可以校準(zhǔn)不同尺寸的濕度傳感器，并最多可同時(shí)檢定8只濕度傳感器，工作效率較高。被試傳感器與測(cè)試室要做到較好的密封。整個(gè)測(cè)試裝置采用材料為316不銹鋼制成，接口尺寸為1/4英寸，在常溫常壓下的氦氣檢漏率為1×10^-6STD·mL/s。

4需要注意和改進(jìn)的地方

用單個(gè)氮?dú)怃撈孔鰵庠磿r(shí)，氣壓不足應(yīng)及時(shí)更換。因?yàn)闅鈮翰蛔銜r(shí)，干燥氣源本身濕度波動(dòng)較大，影響出氣質(zhì)量。這是所有濕度發(fā)生器共同的問(wèn)題。建議用干燥后的壓縮空氣作氣源。如果用氣瓶最好把多個(gè)鋼瓶并聯(lián)使用，并及時(shí)更換。

進(jìn)行高濕校準(zhǔn)時(shí)要注意環(huán)境溫度的影響。尤其是高溫高濕時(shí)，環(huán)境溫度低于工作室溫度，被測(cè)樣品表面會(huì)有結(jié)露現(xiàn)象，這是正常的，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間。

該裝置的計(jì)量閥調(diào)整為手動(dòng)操作，存在人為影響，如果強(qiáng)調(diào)重復(fù)性，需要反復(fù)調(diào)整，適當(dāng)延長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間;如果把計(jì)量閥改為質(zhì)量流量計(jì)，采集數(shù)字信號(hào)再用程序?qū)崿F(xiàn)微機(jī)控制，不但能提高重復(fù)性，還能提高工作效率。

目前該裝置的氣體輸出是10L/min，完全可以滿足大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室工作需要。如果需要更多的排氣量，還需試驗(yàn)改進(jìn)。

5未來(lái)展望

該裝置與精密露點(diǎn)儀配套使用，成功實(shí)現(xiàn)了在溫度5～60℃條件下，濕度傳感器的校準(zhǔn)工作，對(duì)濕度計(jì)量檢定和濕度傳感器制造及應(yīng)用企事業(yè)單位有一定的參考價(jià)值。未來(lái)如果把恒溫裝置的介質(zhì)換成低溫介質(zhì)，把制冷系統(tǒng)改成復(fù)疊式，保溫層做特殊處理，采集數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制，則可實(shí)現(xiàn)低溫條件下的濕度校準(zhǔn)。這是一個(gè)新的領(lǐng)域，還需要大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

【參考文獻(xiàn)】

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